Co a proč šumí, jak zjistit odhadem odstup s/š a podobné.
Šumové vlastnosti koncových zesilovačů Odstup signál/šum : Určuje dynamický rozsah reprodukovaného signálu. Horní hranice výstupního signálu je dána maximálním výstupním výkonem, při kterém ještě nenastává přebuzení a limitace – viz kapitolu o výkonu. Nám spíš půjde o dolní hranici výstupního signálu. Platí nepsané pravidlo – čím vyšší výkon je schopen zesilovač dodat, tím by měl mít lepší poměr signál /šum. Důležitý je šumový výkon na vstupu reproduktoru. Čím je reproduktor citlivější, tím jsou požadavky na odstup vyšší. Návrh zesilovače by měl být proveden tak, aby šum z reproduktorů nepůsobil rušivě. Pro výkony kolem 400W bohatě vyhoví odstup kolem 120 dB. Pro výpočet odstupu použijeme vztah SNR= 20log Uš /Uv Uš – šumové napětí na výstupu Uv – max. výstupní napětí Měření odstupu je rovněž problematická záležitost. Při měření možná naměříte horší hodnoty odstupů, než udává výrobce zesilovače. 1. Odstup rušivých a cizích napětí Je důležitý hlavně z důvodu velkého maximálního akustického tlaku dosahovaného ve spojení s kvalitními vysoce účinnými reproduktory. Je běžně dosahováno akustických tlaků kolem 140dB v blízkosti reproduktorů, tj například odstup kolem 70dB (kazetový tape – deck s dolby C) znamená úroveň šumu 70 db !. U ozvučovacích systémů se udávají dva druhy odstupů Odstup cizích napětí: Je to odstup všech střídavých výstupních napětí, která nejsou žádaným signálem. Vznikají v elektronických obvodech signálové cesty nebo pronikají z pomocných obvodů, případně ze vstupu a dostávají se na výstup koncového stupně. Odstup rušivých napětí: Udává se nejčastěji u spotřební elektroniky. Jeho hodnota bývá vyšší než u odstupu cizích napětí, protože se měří se speciálním filtrem, který by měl mít stejnou charakteristiku jako lidské ucho. Frekvenční charakteristika ucha je ale závislá i na velikosti akustického tlaku, a tak tato měření nejsou objektivní a slouží spíše jen k „papírovému“ vylepšování hodnoty odstupů u nekvalitních zařízení.Výrobci měří s tzv. váhovým filtrem, který bere do úvahy fyziologické zákonitosti sluchu. Jde o filtry s charakteristikou typu A, která určitým způsobem zohledňuje fyziologickou charakteristiku lidského ucha. Hodnoty získané při měření s tímto filtrem pak vycházejí příznivější. Konstrukce filtru není jednoduchá , a tak je na první pohled jasné, že se jedná o problematickou záležitost. Měření provádíme při odpojeném vstupním zdroji. Vstupní svorky se potom zkratují, nechávají rozpojené nebo se mezi ně zapojuje rezistor. Toto by mělo být u měření vždy uvedeno. K měření je potřeba generátor sinusového signálu, nízkofrekvenční milivoltmetr a někdy i výše zmíněný filtr. Postup je takový, že vybudíme zesilovač na maximální výkon (nejčastěji se volí vybuzení 1 dB pod limitací) a na milivoltmetru zapojeném na výstupu, odečteme výstupní napětí. Poté generátor odpojíme, vstup zkratujeme nebo mezi vstupní svorky zapojíme požadovaný odpor a opět odečteme výstupní napětí na milivoltmetru. Podíl těchto napětí, zlogaritmovaný a vynásobený 20 nám udává hodnotu odstupu S/Š. Zesilovač dá v nouzi zkontrolovat i jednodušším způsobem. Vytočíme regulátory hlasitosti na maximum a neměli bychom z připojeného širokopásmového reproduktoru slyšet téměř žádný rušivý zvuk, jako šum a brum i v tiché místnosti. Ze vzdálenosti kolem 3 metrů bychom neměli nic slyšet. Je -li tomu tak, má zesilovač s výkonem kolem 500W odstup kolem 120 dB. Provedení zmíněného poslechového testu je důležité, pokud tedy chceme, aby zesilovač přenášel i nejjemnější detaily o malé úrovni. Hodnota odstupu S/š je dnes velmi důležitý parametr, neboť u záznamů na CD je běžně dosahováno odstupu S/Š 105 dB a zesilovač by neměl tuto hodnotu snižovat. U DVD to bude ještě lepší, neboť předpokládaná dynamika bude vyšší než 120 dB. S odstupy CD to není tak jednoznačné, mnohé nahrávky šumy i obsahují, proto doporučujeme použít hlavně pro živou hudbu noise – gate, případně expandery dynamiky. 1.1)Průnik brumu napájecím napětím Brum způsobuje průnik rušivého napětí elektrické sítě s kmitočtem 50Hz do užitečného signálu. Nejpatrnější je průnik dvou složek. síťový kmitočet proniká špatným stíněním signálových vodičů nebo špatným konstrukčním uspořádáním zesilovače (zemní smyčky) a vlastnostmi komponentů (transformátor, vodiče). Silná rušení tedy nejčastěji způsobují napětí a magnetická pole o síťových frekvencích. Nejčastější příčina je ve špatném stínění signálových vodičů a indukci magnetických polí do zemních smyček. Zemní smyčky jdou nejlépe omezit bimonaurální koncepcí, pak potřebujeme ale 2ks transformátorů a rozběhových členů. Nám se z hlediska finančního lépe zamlouvalo použít 1 transformátor společný, ale s dvěma nezávislými sekundárními vinutími. Efekt je stejný, navíc při použití obyčejných plechů EI nebo M se vložit mezi primár a sekundár stínicí fólie. Vlastní předzesilovač je vzhledem k indukovaným napětím vhodné umístit spolu se vstupy do krabičky z pocínovaného plechu, jak je běžné v anténní technice. Velmi důležité je, aby předzesilovač měl symetrické vstupy, protože jen tak lze zajistit, aby dobré vlastnosti zesilovače nebyly znehodnoceny pronikáním rušení do vstupu při připojení signálových vodičů. Z vlastní zkušenosti víme, že bez tohoto předzesilovače nelze dosáhnout odstupy vyšší než 70 – 80 dB. – vzniká dvoucestným usměrněním střídavého napětí ve zdroji. Výskyt tohoto napětí na výstupu svědčí o špatně dimenzovaných nebo nekvalitních kondenzátorech zdroje, nebo o nesmyslně vysokém klidovém proudu zesilovače. Totéž platí o vyšších harmonických složkách, které působí hodně rušivě. Jev lze omezit použitím extrémních vyhlazovacích kapacit v napájecím zdroji. Zjistili jsme, že nejnáchylnější k tomuto jevu jsou zesilovače s velkým klidovým proudem, nastavovaným u tranzistorů V-MOS až na 100mA, viz PE 10/97. Tomuto zvlnění kupodivu nezabrání ani poměrně vysoké kapacity vyhlazovacích kondenzátorů. 1.2)Vlastní šum koncového stupně I u dobře navrženého a zhotoveného zesilovače se ve výstupním signálu objevuje šum. Šum je v podstatě náhodný ruivý signál a jako takový pokrývá celé akustické pásmo.Šum je velmi závislý na zvoleném zapojení a šumových vlastnostech použitých součástek. Šum je v zesilovačích způsoben mnoha zdroji. Tyto se částečně liší u polovodičových a elektronkových konstrukcí. Jmenujme tedy alespoň některé z nich – výstřelový šum, blikavý šum, tepelný šum, šum rezistorů. Obzvláště uhlíkové silně šumí a tak jediná možná volba jsou kvalitní metalizované rezistory, např. fy DRALORIC. Šumové vlastnosti aktivních součástek lze snadno ovlivnit nastavením vhodného pracovního bodu. Na vznik šumu je nejnáchylnější diferenční člen. V něm není vhodné dle našich zkušeností používat neblokované Zenerovy diody pro stanovení pracovního bodu proudových zdrojů. Zenerovy diody se dokonce užívaly jako generátor bílého šumu!. Z hlediska šumu není vhodné, abychom se snažili o co nejvyšší citlivost vstupu, požadovanou citlivost zajišťuje speciální předzesilovač osazený integrovanými obvody se vstupy J-FET. Šum koncového stupně záleží hlavně na provedení vstupního diferenčního zesilovače a nastavené vstupní citlivosti. Čím bude citlivost vyšší, tím bude odstup signálu od šumu horší. Proto u nejvýkonnějších modulů je vstupní citlivost nastavena kolem 5V, a je nutno pro její zvýšení použít speciální nízkošumový předzes
ilovač. Předzesilovač je použitý hlavně z důvodu možnosti připojení zesilovače k symetrickým linkám 1.55V, používaným ve studiové technice. Linka je použita pro potlačení soufázového napětí, popis viz provedení předzesilovače. U námi konstruovaných zesilovačů jsou vstupy provedeny u jednodušších typů třemi tranzistory typu CD639/640 , u výkonnějších šesti tranzistory typu BC239/309 s malým šumem a čtyřmi vybíranými KC507/517, nebo obdobnými zahraničními ekvivalenty. Pracují při kolektorových proudech jsou kolem 1mA, právě z důvodu co nejnižšího šumu. Proudové zdroje používají jako referenční hodnotu napětí na otevřeném přechodu běžných křemíkových diod. Tato volba je nejlepší, Zenerovy diody, užívané pro tento účel šumí, LED diody zase nemusí mít shodnou závislost napětí v propustném směru na teplotě přechodu, což může vést k teplotnímu driftu a tedy nutnosti užívat zapojení DC-servo. Možností, jak obejít nutnost použití složitějšího diferenčního členu je použít na vstupu je nahradit jej speciálním operačním zesilovačem konstruovaným přímo pro tento účel. K špičkovým výrobkům rozhodně patří operační zesilovače fy. Analog Devices, s drifty vyvažovanými laserem přímo ve výrobním procesu. Používají se např. v nejkvalitnějších zesilovačů fy. JBL. Využívají vtipné zapojení diferenčního členu z OZ. Měli jsme možnost poslechově porovnat typ 2 x 400W s našim modulem 500W, u kterého je vstup osazen 10ks bipolárních tranzistorů. Výsledná úroveň šumu byla poslechově o něco nižší, tranzistorové diferenční členy šumí v celém spektru, vstupy osazené AD spíše v oblasti basů. JBL udává odstup přez 120dB, a to je hodnota víc než dostačující. Poslechově by se dalo říci, že JBL 400W zesilovač šumí podobně, jen o něco méně než Hi-Fi zesilovač osazený integrovanými obvody typové řady TDA, až nato, že integrovaný obvod dává výkon 20x nižší.